CC BY
005.23.05 - СТРОИТЕЛЬНЫЕ МА ТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ (ТЕХНИЧЕСКИЕ НА УКИ)
Е.Г. Щукина, канд. техн. наук, доц., e-mail: elenshcukina@list.ru М.М. Зонхиев, канд. техн. наук, доц., e-mail: bizon-1@mail.ru
УДК 691.32
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ БЕЗОБЖИГОВОГО КИРПИЧА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТВЕРДЫХ АСБЕСТОЦЕМЕНТНЫХ ОТХОДОВ
В статье приведены результаты исследований по способу утилизации твердых асбестоце-ментных отходов с получением материалов, в которых отходы выступают в качестве заполнителя в композициях с неорганическими вяжущими материалами или в качестве самостоятельного вяжущего.
Показано, что при увеличении давления прессования сырьевых смесей повышаются прочностные и гидрофизические свойства образцов.
Разработана эффективная технология производства кирпича на основе асбестоцементных отходов. Расчетные технико-экономические показатели по разработанным составам и технологии показывают экономическую целесообразность производства кирпича методом гиперпрессования с использованием вторичных отходов. При этом себестоимость изделий снижается на 20-25 % по сравнению с силикатным кирпичом.
Ключевые слова: асбестоцементные отходы, портландцемент, гиперпрессование, безобжиговый кирпич.
E.G. Schukina, Cand. Sc. Engineering M.M. Zonkhiev, Cand. Sc. Engineering
INVESTIGATION OF THE POSSIBILITY OF OBTAINING A FIRE-FREE BRICK USING SOLID ASBESTOS-CEMENT WASTE
The article presents the results of studies on the method of disposal of solid asbestos-cement waste to produce materials in which the waste acts as a filler in compositions with inorganic binders or as an independent binder.
It is shown that with an increase in the pressing pressure of raw mixtures, the strength and hydrophysical properties of the samples increase.
An effective technology for the production of bricks based on asbestos-cement waste has been developed. Estimated technical and economic indicators for the developed compositions and technologies show the economic feasibility of brick production by hyperpressing using secondary waste. At the same time, the cost of products is reduced by 20 - 25% compared with silicate brick.
Key words: asbestos-cement waste, Portland cement, hyperpressing, non-fired brick.
Введение
В настоящее вр|емя от 10 до 99 % промышленного сырья превращается в отходы, загрязнящие окружающую природную среду. Техногенные отходы негативно влияют н|а экологическую ситуацию, т.е. оказывают отр|ицательнюе влияние на атмосфер|н|ый воздух и гидр|осфер|у. В связи с этим необходимо более полное и комплексное использование таких резервов минерального сырья, к которым относятся различные отходы промышленного производства.
В качестве основного стенового материала при строительстве зданий и сооружений в Республике Бурятия сейчас используется керамический кирпич, что значительно удорожает стоимость зданий и сооружений.
Технологии изготовления традиционных стеновых материалов, получаемых методами обжига или тепловлажностной обработки, характеризуются высоким расходом топлива. Так, при производстве керамического кирпича тепловые расходы соответствуют 130-150, а силикатного - 30-50 кг условного топлива на 1000 шт. кирпича.
Многие западные страны, такие как Германия, Италия, Испания и другие, частично отказались от производства керамического кирпича как неэнергоэффективного и в течение ряда лет производят безобжиговые материалы для стен.
Сегодня в России и за рубежом внедряются мини-заводы по производству безобжигового кирпича с использованием промышленных отходов, в том числе с асбестоцементными, так как технология не требует тепловой обработки и позволяет выпускать кирпич на основе местного сырья и отходов промышленности в условиях, исключающих испарение влаги, и быстро окупает вложения в проекты с их использованием [1, 2].
В последнее время появились новые разработки и внедрены технологии производства безобжигового кирпича методом прессования на мини-заводах, таких как завод «Муромец», фирма «Русич», и технологических комплексах компаний «Besseg» и «КепМ», позволяющие получать стеновые, перегородочные, фундаментные и бордюрные камни, а также облицовочные и тротуарные плитки. Естественные условия твердения эффективны в области экономии электроэнергии, технологические линии позволяют использовать различные виды сырьевых материалов.
В лаборатории строительных материалов кафедры СМАДиД в течение ряда лет исследуются безобжиговые материалы на основе природного минерального сырья и отходов промышленности. Проведены исследования по возможности получения строительных материалов и изделий н|а основе золошлаковых отходов Улан|-Удэнтских ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2, отходов бетонных заводов и заводов керамического кирпича и т.д. Исследования показали, что все эти отходы можно утилизир|овать и пр|и этом получать качественные стр|оительн|ые материалы, сохраняя природное сыр|ье.
Согласно ФЗ 271 [3] в Республике Бурятия планируется капитальный ремонт крыш многоквартирных домов, в большинстве своем выполненных из асбестоцементных листов (шифера). В ходе ремонтных работ будет образовываться большое количество асбоцементных отходов, которые являются ценным вторичным сырьем.
Асбестоцементные отходы в своем составе имеют компоненты, пригодные для получения на их основе строительных материалов различного назначения. Нельзя не отметить и еще одну причину, по которой вопросам их утилизации в настоящее время уделяется большое внимание: нехватку природных сырьевых ресурсов и повсеместное их удорожание.
Анклиз литер|атурЫых источников и патентных исследований свидетельствует о том, что большинство предложений по утилизации асестоцементных отходов (АЦО) связано с получением материалов и изделий, в которых отходы выступают либо в качестве заполнителя в композициях с неорганическими вяжущими материалами, либо в качестве самостоятельного вяжущего. Необходимо отметить, что твердые АЦО содержат гидрат окиси кальция и непро-гидратированные клинкерные минералы, которые при затворении водой гидратируются и в процессе твердения способствуют повышению прочности.
Во всех асбестоцементных производствах образуется два вида отходов: сухие (твердые) и влажные. Твердые асбестоцементные отходы представляют собой брак, бой асбестоце-ментных изделий, куски, обрезки листов, стружку, а также пыль от их резки и шлифовки, улавливаемую в циклонах и фильтрах.
Целью исследований является получение безобжиговых мелкоштучных стеновых изделий методом гиперпрессования с использованием асбестоцементных отходов и определение основных физико-механических характеристик изделий.
Материалы и методы
В исследованиях для получения безобжигового кирпича использовались следующие сырьевые материалы: портландцемент ЦЕМ1 32,5Н 31108-2016 (ООО «Тимлюйский цементный завод»), твердые АЦО и вода.
Химический состав АЦО представлен! основными оксидами СаО и SiO2, общее содержание которых в среднем составляет 69 % и небольшим количеством оксидов алюминия
и магния. Минеральный состав АЦО - гидросиликаты, гидроалюминаты, гидроксид и карбонат кальция, а также хризотил-асбест [4, 5].
Содержание цемента в смесях варьировалось от 0 до 5%, в качестве заполнителей использовались твердые асбестоцементные отходы для образцов 5*5*5 см с размером зерен заполнителя до 5 мм. Вода для приготовления безобжигового кирпича удовлетворяла требованиям ГОСТ 23732 с водородным показателем рН, равным 5.
Подбирались составы сырьевых смесей без цемента и с содержанием цемента 5 % от общей массы, водотвердое отношение изменялось от 0,1 до 0,12 для бесцементных образцов и от 0,12 до 0,13 для образцов с расходом цемента 5%.
Из приготовленных бетонных смесей на гидравлическом прессе при удельных давлениях от 20 до 40 МПа прессовались образцы, которые хранились в условиях, исключающих испарение влаги (под пленкой), в течение 3 сут.
Прессование имеет ряд достоинств: сокращение длительности сушки изделий и всего технологического цикла, получение более прочных отформованных изделий; отсутствие тепловой обработки, снижение расхода цемента.
Результаты и обсуждение
В лаборатории строительных материалов ВСГУТУ разработаны составы для получения стеновых материалов на основе твердых АЦО. Для получения стеновых материалов подбирались составы, удовлетворяющие нормативным требованиям для силикатного кирпича, так как для безобжиговых стеновых материалов нормативные документы отсутствуют.
Предполагаемые составы для получения безобжиговых стеновых изделий позволяют в трехсуточном возрасте в условиях, исключающих испарение влаги, получить 70-75% от марочной прочности и могут транспортироваться без ущерба для качества.
Результаты определения физико-механических свойств образцов без использования портландцемента приведены в таблице 1 .
Таблица 1
Влияние давления прессования на физико-механические свойства образцов на твердых АЦО без портландцемента
№ п/п Наименование образца Давление прессования, МПа Водотвердое отношение Средняя плотность, кг/м3 Прочность при сжатии в 7-суточном возрасте, МПа
1 Твердые АЦО 20 0,120 1720 6,5
2 30 0,110 1820 11,4
3 40 0,100 1880 14,4
Прикладываемое внешнее прессующее давление увеличивает сырцовую прочность, значительно ускоряет процесс формирования структуры цементного камня, оказывает влияние на кинетику физико-химических процессов, происходящих при твердении в цементном камне и кирпиче. При этом улучшаются физико-механические и гидрофизические характеристики кирпича в результате снижения количества макропор за счет отжатия воздуха, снижается расход вяжущего, уменьшаются энергетические затраты вследствие исключения тепловой обработки, предоставляется возможность использования некондиционных и техногенных продуктов. Процесс твердения при этом значительно ускоряется, и уже в 7-суточном возрасте прочность при сжатии образцов составила 95-97 % от марочной прочности.
При увеличении давления прессования в два раза прочность образцов увеличилась в 2,2 раза, т.е. для бесцементных образцов давление прессования 20 МПа нецелесообразно, так как при этом давлении не достигается минимальная, требуемая по ГОСТ 379-2015, марка кирпича М 100.
Далее были исследованы образцы с добавлением в сырьевую смесь 5 % портландцемента, введение которого может либо улучшить физико-механические свойства кирпича, либо снизить давление прессования изделий (табл. 2).
Анализ результатов испытаний показал, что при увеличении давления прессования с 20 до 40 МПа прочность образцов увеличилась незначительно - на 11 %. А введение небольшого количества цемента (5 %) показывает, что безобжиговый кирпич можно получить и при давлении 20 МПа, снижая нагрузку на технологическое оборудование и сокращая энергозатраты на формование изделий.
Таблица 2
Физико-механические свойства образцов при расходе ПЦ 5%
№ п/п Н|аименюваиие образца Давление прессования, МПа Водотвердое отношение Средняя плотность, кг/м3 Прочность при сжатии в 7-суточном возрасте, МПа
1 Твердые АЦО + 5% ПЦ 20 0,130 1860 15,3
2 30 0,125 1980 16,4
3 40 0,120 2000 16,9
Таким образом, при использовании минимального расхода цемента 5 %, можно принять давление прессования 20 МПа, а для бесцементных образцов требуется давление 30 МПа и более. Кроме того, прессование способствует образованию мелкокристаллической стуктуры цеменггнюго камн|я, и в результате уплотнения цементного геля прессованием он имеет меньшее количество микродефектов и внутренних напряжений [6].
Были определены гидрофизические свойства образцов на всех исследуемых составах -водостойкость и водопоглощение по массе (табл. 3).
Таблица 3
Гидрофизические свойства
№ п/п Наименование Давление Водотвердое Водопоглощение Коэффициент
обр|азца прессования, МПа отношение по массе,|% размягчения
1 Твердые АЦО 20 0,120 16,4 0,7
2 30 0,110 15,7 0,8
3 40 0,108 14,2 0,81
1 Твердые АЦО + 5% ПЦ 20 0,130 11,7 0,8
2 30 0,125 11,3 0,81
3 40 0,120 11,1 0,9
Испытания показали, что при увеличении давления прессования с 20 до 40 МПа водопоглощение по массе уменьшилось на 10-11%, водостойкость повысилась на 10-15% соответственно, для бесцементных и цементных образцов, что подтверждает снижение пористости изделий при действии механических напряжений.
При удельном давлении прессования 20 МПа прочность при сжатии кирпича в 2,4 раза повысилась по сравнению с образцами без цемента, при этом получена марка безобжигового кирпича М150. Введение цемента в сырьевую смесь позволило снизить удельное давление прессования и улучшить физико-механические характеристики изделий.
Эксперименты показали, что увеличение давления прессования повышает прочность при сжатии и среднюю плотность образцов и улучшает гидрофизические свойства образцов.
Образцы безобжигового кирпича были испытаны на морозостойкость по ГОСТ 7025-91 «Кирпич и камни керамические и силикатные. Методы определения водопоглощения, плотности и контроля морозостойкости». Испытания показали, что образцы выдержали 25 циклов попеременного замораживания и оттаивания без видимых признаков разрушения и с получением коэффициента морозостойкости, равным 0,85.
По результатам исследований разработана эффективная технология производства кирпича на основе сухих АЦО, включающая следующие операции:
64
• дробление сухих АЦО, рассев на фракции 5-10 и 0-5 мм;
• приготовление сырьевой композиции перемешиванием предварительно дозированных сухих АЦО, ПЦ и воды;
• формование на гидравлическом прессе при давлении 20-30 МПа;
• твердение в условиях, исключающих испарение влаги под пленкой в течение 3-7 сут.
Выводы
В результате проведенных исследований получен безобжиговый кирпич марок М100 и М125 на твердых асбестоцементных отходах без вяжущего, и марки М150 на составах с расходом портландцемента 5% и твердых АЦО, что соответствует ГОСТ 379-2015.
Полученный кирпич может быть использован для кладки стен малоэтажных зданий и как заполнение каркаса в многоэтажных каркасных зданиях, для устройства перегородок, цокольных этажей, а также для кладки стен гаражей, подсобных помещений и др.
Расчетные технико-экономические показатели по разработанным составам и технологической схеме показывают экономическую целесообразность производства кирпича методом гиперпрессования с использованием АЦО. При этом себестоимость изделий снижается на 2025% по сравнению с силикатным кирпичом.
Библиография
1. Щукина Е.Г., Цыремпилов А.Д. Получение безобжигового кирпича с использованием отходов промышленности // Огроительные материалы. - 2000. - № 4. - С. 22.
2. Щукина Е.Г., Беппле Р.Р., Архинчеева Н.В. Комплексное использование минерального сырья и отходов промышленности при производстве строительных материалов: учеб. пособие. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2004. - 220 с.
3. Об организации проведения капитального ремонта общего имущества в многоквартирных домах, расположенных на территории Республики Бурятия (с изменениями на 9 мая 2018 года): ФЗ 71.
4. ОрешкинХ Д.В., Попов К.Щ, Лиляк А.И. и dpi. Утилизация асбестоцементных отходов в строительстве // Вестн»ик МГСУ. - 2010. - № 3. - С. 140-147.
5. Потапов Ю.Б., Золотухин С.Н., Семенов В.Н. Процессы структурообразования и технология получения безобжиговых материалов // Строительные материалы. - 2003. - № 7. - С. 37-39.
6. Багаутдинов A.A. Стеновые строительные изделия на основе отходов асбестоцементного производства: дис. ... канд. техн. наук. - М.: Изд-во МГСУ, 1994.
Bibliography
1. Schukina E.G., Tsyrempilov A.D. Obtaining non-fired brick using industrial waste // Construction Materials. - 2000. - N 4. - 22 p.
2. Schukina E.G., Bepple R.R., Arkhincheeva N. V. Integrated use of mineral raw materials and industrial wastes in the production of building materials: a training manual. - Ulan-Ude: Publishing House of ESSTU, 2004. - 220 p.
3. On the organization of capital repairs of the common property in many apartment houses located in the territory of the Republic of Buryatia (as amended on May 9, 2018): FZ 271.
4. Oreshkin D.V., Popov K.N., Lilyak A.I. et al. Disposal of asbestos cement in the waste industry // Bulletin of MGSU. - 2010. - N 3. - P. 140-147.
5. Potapov Yu.B., Zolotukhin S.N., Semenov V.N. Structuring processes and technology for obtaining non-fired materials // Building materials. - 2003. - N 7. - P. 37-39.
6. Bagautdinov A.A. Wall construction products based on asbestos-cement production waste: Diss. ... Cand. tech. Sciences. - M.: Publishing hous of MGSU, 1994.
